JP5185557B2 - Equipment for improving residual stress in pipes - Google Patents
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Description
本発明は、配管等の管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置に関する。 The present invention relates to a tubular body residual stress improving apparatus for improving a residual stress of a tubular body such as a pipe.
原子力発電所、大型プラント等において、大型の配管等の管体を設置する場合、溶接した際に配管に残留する応力の除去が問題となる。溶接が行われると配管には残留応力が発生し、その残留応力によって配管の寿命が短くなるおそれがあるため、溶接によって発生した残留応力は、除去することが望ましい。 When installing a pipe body such as a large pipe in a nuclear power plant, a large plant, etc., removal of stress remaining in the pipe when welding is a problem. When welding is performed, residual stress is generated in the pipe, and the residual stress may shorten the life of the pipe. Therefore, it is desirable to remove the residual stress generated by welding.
配管に残留する残留応力の改善方法として、本願の発明者等は、レーザを周回移動させながら配管の外周面に照射し、材料に悪影響を及ぼさない温度に急速加熱して、配管の内外面に温度差を形成することにより、配管の残留応力を低減する方法を提案している(特許文献1〜4)。
As a method of improving the residual stress remaining in the pipe, the inventors of the present application irradiate the outer peripheral surface of the pipe while moving the laser around, rapidly heat it to a temperature that does not adversely affect the material, and apply it to the inner and outer faces of the pipe. The method of reducing the residual stress of piping is proposed by forming a temperature difference (
特許文献1〜4等のように、レーザ照射により配管の残留応力を低減する方法においては、照射対象とする配管の径が比較的に小さい場合、配管の周方向において、配管の周囲へ逃げる光が多くなり、その結果、光の漏れ量が多くなると共に、照射領域の端部での十分な光強度の確保が困難となる問題があった。又、配管の軸方向においても、必要とする領域外への照射があるため、所望の領域内に所望の入熱特性を得るためには、レーザ出力が余分に必要となっていた。加えて、配管の径が変化するテーパ形状の配管を照射対象とした場合には、配管のテーパ部分とストレート部分との境界部で、入熱分布が急激に変化するため、配管のテーパ部分とストレート部分に対して、所望の入熱分布を得ることは困難であった。
As in
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、レーザ光の光路を制御して、不必要な領域への照射を抑制する管体の残留応力改善装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an apparatus for improving a residual stress of a tubular body that controls an optical path of a laser beam and suppresses irradiation to an unnecessary region.
上記課題を解決する第1の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
円筒状の管体の外周を周回移動する回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、レーザ光源からのレーザ光を前記管体の溶接部分の外周面に複数照射すると共に、前記複数のレーザ光による照射領域を調整可能な光制御部とを有し、
前記複数のレーザ光による照射領域を前記管体の周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部は、
少なくとも1つの端部のレーザ光の光学系に、該光学系におけるレーザ光の光軸をずらすレンズを有し、該レンズにより、端部のレーザ光の強度ピークが前記管体の軸方向の外側に偏るように該レーザ光の光軸をずらして、前記管体へ照射すると共に、
他のレーザ光の光学系に、台形側面を前記管体の軸方向に向けて配設した台形プリズムを有し、該台形プリズムにより、各レーザ光の前記管体の周方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする。
A tubular body residual stress improving apparatus according to a first aspect of the present invention for solving the above problems is as follows.
Rotational drive means for moving around the outer circumference of the cylindrical tube;
The held to a rotary drive means, as well as several irradiating a laser beam to the outer peripheral surface of the welded portion of the tubular body from the laser light source and a front Kifuku number of adjustable light control unit irradiation area by the laser beam Have
By moving the irradiation region by the laser light before Kifuku number in a circumferential direction of the tubular body, the tubular-body residual-stress improving apparatus for improving the residual stress of the tube,
The light control unit
The optical system of the laser light at at least one end has a lens for shifting the optical axis of the laser light in the optical system, and the lens causes the intensity peak of the laser light at the end to be outside the axial direction of the tubular body. The optical axis of the laser beam is shifted so as to be biased to irradiate the tube body,
The other laser light optical system has a trapezoidal prism with a trapezoidal side faced in the axial direction of the tube, and the trapezoidal prism allows the inner side of the skirt portion of the laser beam in the circumferential direction to be inside. The tube body is refracted and irradiated to the tube body.
上記課題を解決する第2の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第1の発明に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部は、一方の端部のレーザ光の光学系が前記レンズを有する場合、他方の端部のレーザ光の光学系に、前記レーザ光の光軸をずらすレンズに替えて、台形側面を前記管体の周方向に向けて配設した他の台形プリズムを有し、該他の台形プリズムにより、端部のレーザ光の前記管体の軸方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする。
A tubular body residual stress improving apparatus according to a second invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the tubular body residual stress improving apparatus according to the first invention,
When the optical system of the laser light at one end has the lens, the light control unit replaces the lens that shifts the optical axis of the laser light with the optical system of the laser light at the other end. The other trapezoidal prism disposed in the circumferential direction of the tubular body, the other trapezoidal prism refracts the skirt portion of the end portion of the laser beam in the axial direction of the tubular body, The tube is irradiated.
上記課題を解決する第3の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第1又は第2の発明に記載した管体の残留応力改善装置において、
前記台形プリズムに替えて、出射側の面が3つより多い数の面を有する多面プリズムを用いることを特徴とする。
上記課題を解決する第4の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第2の発明に記載した管体の残留応力改善装置において、
前記台形プリズム、前記他の台形プリズムに替えて、出射側の面が3つより多い数の面を有する多面プリズムを用いることを特徴とする。
A tubular body residual stress improving apparatus according to a third invention for solving the above-mentioned problems is
In the residual stress improving apparatus for a tubular body described in the first or second invention,
Wherein instead of trapezoidal prisms, characterized by using a multifaceted prism having a surface having a surface on the emission side is more than three.
A tubular body residual stress improving apparatus according to a fourth invention for solving the above-described problems is
In the tubular body residual stress improving apparatus described in the second invention,
Instead of the trapezoidal prism and the other trapezoidal prisms, a polyhedral prism having more than three surfaces on the exit side is used.
上記課題を解決する第5の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第2の発明に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記他の台形プリズムに替えて、切頭型の四角錐からなる六面体プリズムを用い、該六面体プリズムにより、端部のレーザ光の前記管体の周方向における裾野部分を内側に屈折すると共に、端部のレーザ光の前記管体の軸方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする。
A tubular body residual stress improving apparatus according to a fifth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the tubular body residual stress improving apparatus according to the second invention,
Instead of the other trapezoidal prism, a hexahedral prism made of a truncated quadrangular pyramid is used, and the hexahedral prism refracts the skirt portion in the circumferential direction of the tubular body of the laser beam at the end, and The base portion of the laser beam in the axial direction of the tube body is refracted inward to irradiate the tube body.
上記課題を解決する第6の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
円筒状の管体の外周を周回移動する回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、レーザ光源からのレーザ光を前記管体の溶接部分の外周面に1つ若しくは複数照射すると共に、前記1つ若しくは複数のレーザ光による照射領域を調整可能な光制御部とを有し、
前記1つ若しくは複数のレーザ光による照射領域を前記管体の周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部は、少なくとも1つの端部のレーザ光の光学系に、該光学系におけるレーザ光の光軸をずらすレンズを有し、該レンズにより、端部のレーザ光の強度ピークが前記管体の軸方向の外側に偏るように該レーザ光の光軸をずらして、前記管体へ照射することを特徴とする。
A tubular body residual stress improving apparatus according to a sixth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
Rotational drive means for moving around the outer circumference of the cylindrical tube;
Light control that is held by the rotation driving means and that irradiates one or more laser beams from a laser light source to the outer peripheral surface of the welded portion of the tube, and that can adjust the irradiation area by the one or more laser beams And
In the apparatus for improving residual stress of a tubular body that improves the residual stress of the tubular body by moving the irradiation region of the one or more laser beams in the circumferential direction of the tubular body,
The light control unit has a lens that shifts the optical axis of the laser light in the optical system in the optical system of the laser light in at least one end, and the lens causes an intensity peak of the laser light in the end to be in the tube. The tube is irradiated with the optical axis of the laser beam shifted so as to be biased outward in the axial direction of the body.
上記課題を解決する第7の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第1から第6のいずれか1つの発明に記載した管体の残留応力改善装置において、
前記レーザ光の光学系を、1つの筐体内に配置することを特徴とする。
A tubular body residual stress improving apparatus according to a seventh invention for solving the above-mentioned problems is
In the residual stress improving apparatus for a tubular body described in any one of the first to sixth inventions,
The optical system of the laser beam is arranged in one housing.
上記課題を解決する第8の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第1から第7のいずれか1つの発明に記載した管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部の光学系に非球面レンズを用いることを特徴とする。
An apparatus for improving a residual stress of a tubular body according to an eighth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the tubular body residual stress improving apparatus described in any one of the first to seventh inventions,
An aspheric lens is used in the optical system of the light control unit.
第1〜第5の発明によれば、プリズムを用いて、レーザ光の裾野部分の光を内側に屈折するので、照射領域の端部において、十分な照射強度を確保すると共に、不必要な領域へのレーザ光の照射を抑制して、レーザ光の出力のムダを低減することができる。 According to the first to fifth inventions, since the light at the skirt portion of the laser beam is refracted inward using the prism, a sufficient irradiation intensity is ensured at the end of the irradiation region, and an unnecessary region. It is possible to reduce the waste of the output of the laser beam by suppressing the irradiation of the laser beam.
第1、第6の発明によれば、軸ずらしレンズを用いて、照射面でのレーザ光のピーク位置が軸方向外側にシフトするように、レーザ光の光軸をずらすので、照射領域の軸方向端部において、十分な照射強度を確保すると共に、不必要な領域へのレーザ光の照射を抑制して、レーザ光の出力のムダを低減することができる。 According to the first and sixth inventions, the optical axis of the laser beam is shifted so that the peak position of the laser beam on the irradiation surface is shifted outward in the axial direction using the axis shifting lens. At the end of the direction, sufficient irradiation intensity can be secured, and irradiation of laser light to unnecessary areas can be suppressed to reduce waste of laser light output.
第7の発明によれば、複数の光学系を1つの筐体内に配置するので、各光学系の調整範囲を大きくできると共に、漏れ光を抑制して、装置が損傷したり、災害が発生したりすることを防止することができる。 According to the seventh invention, since a plurality of optical systems are arranged in one housing, the adjustment range of each optical system can be increased, and leakage light can be suppressed to damage the device or cause a disaster. Can be prevented.
第8の発明によれば、光学系に非球面レンズを用いるので、使用するレンズ枚数を低減して、光制御部の構成を簡単且つ小さくすることができる。又、非球面レンズを照射対象の形状に応じて形成することにより、所望の照射プロファイルを形成することができる。 According to the eighth invention, since the aspherical lens is used in the optical system, the number of lenses to be used can be reduced and the configuration of the light control unit can be made simple and small. In addition, a desired irradiation profile can be formed by forming the aspheric lens according to the shape of the irradiation target.
本発明に係る管体の残留応力改善装置を、図1〜図14を用いて、詳細に説明する。 The tubular body residual stress improving apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図1は、本発明に係る管体の残留応力改善装置を示す概略構成図である。
図1に示すように、残留応力改善装置1は、円筒状の管体である配管2の外周を周回移動可能に配置され、周方向移動速度を制御可能な回転駆動装置3(回転駆動手段)と、回転駆動装置3に支持されると共に配管2の軸方向に延設され、配管2の周囲を配管2と同軸に周回可能なアーム部4と、アーム部4に保持され、配管2の溶接部Wの外周面の所定領域に複数のレーザ光9を照射する光制御部5と、複数の光ファイバ6により光制御部5と接続され、光ファイバ6を介してレーザ光を光制御部5に供給するレーザ発振器7と、回転駆動装置3、レーザ発振器7等を制御する制御部8とを有するものである。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a tubular body residual stress improving apparatus according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the residual
回転駆動装置3は、配管2の外周に脱着可能なものであり、残留応力を改善したい箇所例えば、溶接部W等の周囲に自由に設置可能である。なお、回転駆動装置3は、その内周側が配管2を保持し、アーム部4を支持する外周側が周回可能であればどのような構成でもよく、例えば、内周側において、配管2を保持する固定部と、外周側において、アーム部4を支持すると共に配管2の周囲を配管2と同軸に周回する周回部とを有するような構成でもよい。
The
光制御部5、光ファイバ6、レーザ発振器7は、加熱光学系を構成しており、配管2の軸方向に沿ってアーム部4に配置された光制御部5により、複数のレーザ光9を配管2の外周面の所定領域に照射し、所定領域を均一に加熱するようにしている。詳細は後述するが、光制御部5においては、光制御部5を構成するレンズ、ミラー等の位置を調整することで、周方向照射幅、軸方向照射幅を調整して、所望の加熱領域を調整している。なお、ここでは、一例として、光ファイバ6の数を複数とし、各々の光ファイバ6に対応して、配管2に照射されるレーザ光9も、P1〜Pnとしているが、光ファイバ6や照射されるレーザ光9の数は、照射条件によって適宜に変更可能なものであり、少なくとも1つ以上のレーザ光9を照射する構成であればよい。
The light control unit 5, the optical fiber 6, and the
残留応力を改善する際には、本発明に係る残留応力改善装置1において、予め、光制御部5の調整により加熱領域を調整し、制御部8により、レーザ発振器7の出力を制御すると共に回転駆動装置3を所定の移動速度に制御して周回移動させることで、光制御部5から照射されるレーザ光9が、配管2の外周を周回移動しながら配管2の外周面の所定領域に照射され、配管2の外周面の所定領域が加熱されることになる。このとき、加熱時に発生する配管2の内外面温度差を利用し、内面を引張降伏させることにより、冷却後の内面の残留応力を低減若しくは圧縮応力に改善している。周回数としては、1回の周回でもよいが、複数の周回としてもよく、複数の周回の場合は、始終端の位置を変更するようにしてもよい。又、加熱温度としては、固溶化温度未満とすることが好ましい。更に、本発明の場合、配管2の内面側を必ずしも強制冷却する必要はない。
When the residual stress is improved, in the residual
最初に、本発明に係る管体の残留応力改善装置において、残留応力を改善する原理を簡単に説明する。 First, the principle of improving the residual stress in the tubular residual stress improving apparatus according to the present invention will be briefly described.
配管2の溶接部W近傍の所定領域の残留応力を改善する場合、本発明においては、配管2の外周面をレーザ光で加熱して、配管2の外面と内面との間に所定の温度差が生じるように加熱する。このような加熱を行うと、外面は圧縮応力状態、内面は引張応力状態、更には、内面は引張降伏状態になる。加熱後、上記所定領域の内面及び外面の温度差が無くなり、常温付近まで温度が低下すると、外面が引張応力状態になり、内面が圧縮応力状態になり、降伏応力により内面の残留応力を引張応力状態から圧縮応力状態に改善することが可能となる。このとき、加熱時に発生させる応力の大きさ(ひずみ量)は、少なくとも降伏応力相当以上のひずみ量となるように、レーザ加熱時の条件を設定することが望ましい。このようにして、配管2の内面に生じている残留応力を引張状態から圧縮状態に改善することができ、その結果、管体内面の応力腐食割れを防ぐことが可能となる。
In the case of improving the residual stress in a predetermined region near the welded portion W of the
このように、配管2の外周面(溶接部W近傍)をレーザ加熱して、所望のひずみ量を得るためには、軸方向照射幅、周方向照射幅を適切な範囲に制御する必要がある。軸方向照射幅、周方向照射幅は、配管2の形状(具体的には、配管2の径、板厚)、更には、配管2の材料、設置環境等に左右されるため、それらの条件に応じて、適切な軸方向照射幅、周方向照射幅を設定するようにしている。
As described above, in order to obtain the desired strain amount by laser heating the outer peripheral surface of the pipe 2 (near the welded portion W), it is necessary to control the axial irradiation width and the circumferential irradiation width within appropriate ranges. . The axial irradiation width and circumferential irradiation width depend on the shape of the pipe 2 (specifically, the diameter and thickness of the pipe 2), and the material of the
ところが、光制御部5に供給されるレーザ光は、光ファイバ6等を用いて供給されるため、元々の照射領域が広くなく、所望の軸方向照射幅、周方向照射幅とするためには、レンズ、凹面鏡等を用いて、照射領域を拡げる必要があった。その場合、照射領域の端部においては、十分な光強度を確保することが難しく、その部分を入熱のための照射領域とみなすことができず、無駄な照射領域となっていた。従って、軸方向照射幅、周方向照射幅の端部において、所望の入熱を得るためには、より大きなレーザ出力が必要となっていた。又、照射対象の配管2の径が比較的小さい場合には、照射領域の周方向端部の光が配管2の外側へ逃げてしまい、光の漏れ量が多くなると共に、実質的に照射された配管2の照射部分の周方向端部において、十分な光強度を確保することが難しい状況であった。
However, since the laser beam supplied to the light control unit 5 is supplied using the optical fiber 6 or the like, the original irradiation area is not wide, and in order to obtain the desired axial irradiation width and circumferential irradiation width. It was necessary to expand the irradiation area using a lens, a concave mirror, and the like. In that case, it is difficult to secure a sufficient light intensity at the end of the irradiation region, and that portion cannot be regarded as an irradiation region for heat input, resulting in a useless irradiation region. Accordingly, in order to obtain a desired heat input at the ends of the axial irradiation width and the circumferential irradiation width, a larger laser output is required. In addition, when the diameter of the
そこで、本発明に係る管体の残留応力改善装置においては、上述したような課題を克服するべく、光制御部5における光学系の構成を工夫している。なお、以下の説明においては、特に断らない限り、周方向とは、配管2の周方向を意味し、軸方向とは、配管2の軸方向を意味する。
Thus, in the tubular body residual stress improving apparatus according to the present invention, the configuration of the optical system in the light control unit 5 is devised in order to overcome the above-described problems. In the following description, unless otherwise specified, the circumferential direction means the circumferential direction of the
図2(a)に、光制御部5の実施形態の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図2(a)においては、見やすくするため、複数のレーザ光のうち、レーザ光P1、Pnのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光P1、Pnの光路のうち、本参考例における特徴的光路のみ図示する。 FIG. 2A shows a schematic configuration diagram as an example of an embodiment of the light control unit 5, and the configuration will be described. In FIG. 2 (a), for the sake of clarity, an optical system of only the laser beams P1 and Pn out of a plurality of laser beams is illustrated, and actually, the optical system is enlarged or reflected by a lens, a mirror, or the like. Of the optical paths of the laser beams P1 and Pn, only the characteristic optical paths in this reference example are shown.
本参考例の光制御部5Aは、レーザ光P1〜Pnを制御するものである。各光路上の光学系は、同等の構成を有しており、例えば、レーザ光P1においては、図2(a)に示すように、レーザ光の進行方向に向かって、順に、保護ガラス11、レンズ12、ミラー13、レンズ14を有している。従って、レーザ光P1においては、光ファイバ6から出射されたレーザ光が、光学系を保護する保護ガラス11へ入射され、保護ガラス11を透過したレーザ光がレンズ12により拡大され、その後、レンズ12により拡大されたレーザ光が、ミラー13により配管2の方向へ反射され、ミラー13により反射されたレーザ光が、レンズ14により、更に拡大されて、配管2の所望の領域に照射されている。
The
しかしながら、上記光学系のみでは、照射領域の周方向端部の光強度は、不十分なままであるため、本参考例においては、レーザ光P1〜Pnの光学系の最終段であり、かつ、配管2に照射されるそれらのレーザ光の光学系の最終的な光路に対し、それらの光路の周方向両側に、1対のミラー21、22を配設している。これらのミラー21、22は、拡大されたレーザ光の周方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管2の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置されている。
However, since the light intensity at the end portion in the circumferential direction of the irradiation region remains insufficient with only the optical system, in this reference example, it is the final stage of the optical system of the laser beams P1 to Pn, and A pair of
このような構成により、配管2の照射領域の周方向端部では、レンズ14を透過して直接配管2に照射されたレーザ光と、レンズ14を透過し、ミラー21、22にて反射されたレーザ光とが重なるように照射されることになる。その結果、逃げ光を抑制して、出力を有効活用することができ、配管2の照射領域の周方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。なお、ここでは、調整が容易となることを考慮して、レーザ光P1〜Pnの全ての光学系に共用可能な1対のミラー21、22を設けたが、共用可能なミラー21、22に替えて、レーザ光P1〜Pnの各々に独立してミラーを設けるようにしてもよい。
With such a configuration, at the circumferential end of the irradiation region of the
従って、従来は、配管2の外側に逃げていた光や必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の裾野部分を、ミラー21、22により有効に利用して、配管2の照射領域の周方向端部の光強度を確保することができ、例えば、図2(b)の領域Aに示すように、周方向両端部が急峻に立ち上がったプロファイルに制御可能である。
Therefore, conventionally, the irradiation area of the
図3(a)に、光制御部5の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図3(a)においても、見やすくするため、レーザ光P1〜Pnのうち、レーザ光P1、Pnのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光P1、Pnの光路のうち、本参考例における特徴的光路のみ図示する。 FIG. 3A shows a schematic configuration diagram as another example of the embodiment of the light control unit 5, and the configuration will be described. In FIG. 3 (a), for the sake of clarity, the optical system of only the laser beams P1 and Pn out of the laser beams P1 to Pn is illustrated, and actually, it is enlarged or reflected by a lens, a mirror, or the like. Of the optical paths of the laser beams P1 and Pn, only the characteristic optical paths in this reference example are shown.
図3(a)に示す光制御部5Bは、ミラーの構成を除き、参考例1の図2(a)に示した光制御部5Aと同等の構成を有するものである。従って、参考例1の光制御部5Aと同等の構成については、重複する説明を省略して、光制御部5Bの構成を説明する。
The
本参考例においては、照射領域の軸方向端部の光強度を確保するため、配管2に照射されるレーザ光P1〜Pnの両端部、つまり、レーザ光P1、Pnの光学系の最終段であり、かつ、それらのレーザ光P1、Pnの光学系の最終的な光路に対し、それらの光路の軸方向両端側に、1対のミラー23、24を配設している。ミラー23は、拡大されたレーザ光P1の軸方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管2の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置されており、ミラー24は、拡大されたレーザ光Pnの軸方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管2の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置されている。なお、配管2へ照射するレーザ光が1系統である場合には、例えば、レーザ光P1のみを用いて、配管2へ照射する場合には、レーザ光P1の光学系の最終段であり、かつ、そのレーザ光P1の光学系の最終的な光路に対し、その光路の軸方向両端側に、1対のミラー23、24を配設すればよい。
In this reference example, in order to ensure the light intensity at the axial end of the irradiation region, both ends of the laser beams P1 to Pn irradiated to the
このような構成により、配管2の照射領域の軸方向の端部では、レンズ14を透過して直接配管2に照射されたレーザ光と、レンズ14を透過し、ミラー23、24にて反射されたレーザ光とが重なるように照射されることになる。その結果、必要領域外への照射を抑制して、出力を有効活用することができ、配管2の照射領域の軸方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。
With such a configuration, at the axial end of the irradiation region of the
従って、従来は、必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の裾野部分を、ミラー23、24により有効に利用して、配管2の照射領域の軸方向端部の光強度を確保することができる。例えば、図3(b)において、プロファイルP1、Pnは、ミラー23、24が無ければ、ガウス分布状のプロファイルであったが、ミラー23、24を配置することにより、図3(b)の領域Bに示すように、軸方向両端部が急峻に立ち上がったプロファイルに制御可能であり、配管2に与える温度分布も、図3(b)に示すような温度プロファイルに制御することができる。なお、図3(b)においては、P1、Pn以外のプロファイル、例えば、P2等のプロファイルは省略している。
Therefore, conventionally, the base part of the laser beam that has hardly contributed to the heat input to the necessary region is effectively used by the
図4に、光制御部5の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図4においても、見やすくするため、レーザ光P1〜Pnのうち、レーザ光P1、Pnのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光P1、Pnの光路のうち、本参考例における特徴的光路のみ図示する。 FIG. 4 shows a schematic configuration diagram as another example of the embodiment of the light control unit 5, and the configuration will be described. In FIG. 4, for the sake of clarity, the optical system of only the laser beams P1 and Pn out of the laser beams P1 to Pn is illustrated, and actually, it is enlarged or reflected by a lens, a mirror, or the like. Of the optical paths of the laser beams P1 and Pn, only the characteristic optical paths in this reference example are shown.
図4に示す光制御部5Cは、ミラーの構成を除き、参考例1の図2(a)に示した光制御部5A、参考例2の図3(a)に示した光制御部5Bと同等の構成を有するものである。更に具体的には、図4に示す光制御部5Cでは、光制御部5Aにおけるミラー21、22と光制御部5Bにおけるミラー23、24とを組み合わせて、レーザ光P1〜Pnの光学系を、ミラー21〜24で囲んで、ボックス化した構成である。従って、参考例1の光制御部5A及び参考例2の光制御部5Bと同等の構成については、重複する説明を省略して、光制御部5Cの構成を説明する。
本参考例においては、照射領域の周方向端部及び軸方向端部の光強度を確保するため、光学系の最終段であり、レーザ光の最終的な光路に対して、周方向の両側にミラー21、22を配設すると共に、軸方向の両側にミラー23、24を配設している。ミラー21、22は、拡大されたレーザ光P1〜Pnの周方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管2の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置され、ミラー23、24は、拡大されたレーザ光P1、Pnの軸方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管2の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置されている。
In this reference example, in order to ensure the light intensity at the circumferential end and the axial end of the irradiation region, it is the final stage of the optical system, and on both sides in the circumferential direction with respect to the final optical path of the laser beam. The
このような構成により、配管2の照射領域の周方向の端部では、レンズ14を透過して直接配管2に照射されたレーザ光と、レンズ14を透過し、ミラー21、22にて反射されたレーザ光とが重なるように照射されることになる。又、配管2の照射領域の軸方向の端部では、レンズ14を透過して直接配管2に照射されたレーザ光と、レンズ14を透過し、ミラー23、24にて反射されたレーザ光とが重なるように照射されることになる。その結果、逃げ光や必要領域外への照射を抑制して、出力を有効活用することができ、配管2の照射領域の周方向端部及び軸方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。
With such a configuration, at the end in the circumferential direction of the irradiation region of the
従って、従来は、配管2の外側に逃げていた光や必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の周方向の裾野部分を、ミラー21、22により有効に利用して、配管2の照射領域の周方向端部の光強度を確保することができ、加えて、必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の軸方向の裾野部分を、ミラー23、24により有効に利用して、配管2の照射領域の軸方向端部の光強度を確保することができる。又、レーザ光P1〜Pnの光学系を、ミラー21〜24で囲んで、ボックス化したので、周辺への漏れ光を抑制でき、漏れ光対策(防護板等)が不要となる。
Accordingly, conventionally, the
図5に、光制御部5の実施形態の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図5においても、見やすくするため、レーザ光P1〜Pnのうち、レーザ光P1、Pnのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光P1、Pnの光路のうち、主な光路のみ図示している。 FIG. 5 shows a schematic configuration diagram as an example of the embodiment of the light control unit 5, and the configuration will be described. In FIG. 5, for the sake of clarity, the optical system of only the laser beams P1 and Pn out of the laser beams P1 to Pn is illustrated, and is actually magnified or reflected by a lens, a mirror, or the like. Of the optical paths of the laser beams P1 and Pn, only the main optical paths are shown.
図5に示すように、本参考例の光制御部5Dも、レーザ光P1〜Pnを制御するものである。各光路上の光学系は、同等の構成を有しており、例えば、レーザ光Pnにおいては、レーザ光の進行方向に向かって、順に、保護ガラス31、台形プリズム32、レンズ33、ミラー35、保護ガラス36を有している。つまり、光学系のいずれかに、例えば、光学系の前段側に、台形プリズム32を有する構成である。
As shown in FIG. 5, the
本参考例では、上記参考例1〜3と異なり、ミラーに替えて、台形側面側が軸方向に向かって(周方向に平行に)配置された台形プリズム32を用いて、周方向における裾野部分のレーザ光の光路を内側に屈折させて、照射領域の周方向端部の光強度を確保するようにしている。
In this reference example, unlike the reference examples 1 to 3, a
従って、例えば、レーザ光Pnにおいては、光ファイバ6から出射されたレーザ光が、光学系を保護する保護ガラス31へ入射され、保護ガラス11を透過したレーザ光が周方向における裾野部分のレーザ光の光路を調整する台形プリズム32により屈折され、台形プリズム32により屈折されたレーザ光がレンズ33により拡大され、その後、レンズ33により拡大されたレーザ光が、ミラー35により配管2の方向へ反射され、ミラー35により反射されたレーザ光が、保護ガラス36を透過して、配管2の所望の領域に照射されている。なお、レンズ33としては、球面レンズを用いているが、例えば、シリンドリカルレンズ等を用いてもよく、1つのシリンドリカルレンズを周方向調整用に用い、他の1つのレンズを軸方向調整用に用いてもよい。
Therefore, for example, in the laser light Pn, the laser light emitted from the optical fiber 6 is incident on the
このような構成により、従来逃げ光や必要領域への入熱にほとんど寄与しないレーザ光の裾野部分となっていた部分を、配管2の照射領域の周方向の端部に屈折させて、照射することになる。その結果、逃げ光を抑制して、出力を有効活用することができ、配管2の照射領域の周方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。なお、ここでは、調整が容易となることを考慮して、レーザ光P1〜Pnの全ての光学系に共通なミラー35、保護ガラス36を設けたが、共通のミラー35、保護ガラス36に替えて、レーザ光P1〜Pnの各々に独立してミラー、保護ガラスを設けるようにしてもよい。
With such a configuration, the skirt portion of the laser beam that has hardly contributed to the escape light and heat input to the necessary region is refracted to the circumferential end of the irradiation region of the
従って、従来は、配管2の外側に逃げていた光や必要領域への入熱にほとんど寄与しないレーザ光の裾野部分となっていた部分を、台形プリズム32により有効に利用して、配管2の照射領域の周方向端部の光強度を確保することができる。そして、レーザ光P1〜Pn毎に、台形プリズム32を調整すれば、小径管を対象とする場合にも、レーザ光のビーム裾野でのエネルギ密度の低下を抑制することができる。
Therefore, conventionally, the
図6(a)に、光制御部5の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図6(a)においても、見やすくするため、レーザ光P1〜Pnのうち、レーザ光P1、Pnのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光P1、Pnの光路のうち、主な光路のみ図示している。 FIG. 6A shows a schematic configuration diagram as another example of the embodiment of the light control unit 5, and the configuration will be described. In FIG. 6 (a), the optical system of only the laser beams P1 and Pn out of the laser beams P1 to Pn is shown for the sake of clarity, and is actually magnified or reflected by a lens, a mirror, or the like. Of the optical paths of the laser beams P1 and Pn, only the main optical paths are shown.
図6(a)に示す光制御部5Eは、レーザ光P1の光学系の構成を除き、参考例4の図5に示した光制御部5Dと同等の構成を有するものである。従って、参考例4の光制御部5Dと同等の構成については、重複する説明を省略して、光制御部5Eの構成を説明する。
The
本実施例においては、一方の端部側のレーザ光P1の光学系に、台形プリズム32に替えて、台形プリズム37を配設している。つまり、光学系のいずれかに、例えば、光学系の前段側に、台形プリズム37を有する構成である。台形プリズム37は、台形プリズム32とは異なり、台形側面側が周方向に向かって(軸方向に平行に)配置されたものであり、軸方向における裾野部分のレーザ光の光路を内側に屈折させて、照射領域の軸方向端部の光強度を確保するようにしている。なお、同様の台形プリズム37を、他方の端部側のレーザ光Pnの光学系に設けるようにしてもよい。
In the present embodiment, a
従って、例えば、レーザ光P1においては、光ファイバ6から出射されたレーザ光が、光学系を保護する保護ガラス31へ入射され、保護ガラス11を透過したレーザ光が軸方向における裾野部分のレーザ光の光路を調整する台形プリズム37により屈折され、台形プリズム37により屈折されたレーザ光がレンズ33により拡大され、その後、レンズ33により拡大されたレーザ光が、ミラー35により配管2の方向へ反射され、ミラー35により反射されたレーザ光が、保護ガラス36を透過して、配管2の所望の領域に照射されている。
Therefore, for example, in the laser light P1, the laser light emitted from the optical fiber 6 is incident on the
このような構成により、従来必要領域への入熱にほとんど寄与しないレーザ光の裾野部分となっていた部分を、配管2の照射領域の軸方向の端部に屈折させて、照射することになる。その結果、必要領域外への照射を抑制して、出力を有効活用することができ、配管2の照射領域の周方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。
With such a configuration, a portion that has conventionally been a skirt portion of the laser beam that hardly contributes to heat input to the necessary region is refracted and irradiated to the end portion in the axial direction of the irradiation region of the
従って、従来は、必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の裾野部分を、台形プリズム37により有効に利用して、配管2の照射領域の軸方向端部の光強度を確保することができる。例えば、図6(b)において、従来は、台形プリズム37が無ければ、プロファイルP1も、プロファイルPnのような通常のガウス分布状のプロファイルであったが、台形プリズム37により、端部側のプロファイルが立ち上がり、頂上部が平坦な台形状のプロファイルに制御可能であり、配管2に与える温度分布も、図6(b)に示すような温度プロファイルに制御することができる。なお、図6(b)においても、P1、Pn以外のプロファイル、例えば、P2等のプロファイルは省略している。
Therefore, conventionally, the base portion of the laser beam that has hardly contributed to the heat input to the necessary region is effectively used by the
図7(a)、(b)に、光制御部5の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図7(a)は、その上面視であり、図7(b)は、その斜視である。又、図7(a)、(b)においても、見やすくするため、レーザ光P1〜Pnのうち、レーザ光P1、Pnのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光P1、Pnの光路のうち、主な光路のみ図示している。 7A and 7B are schematic configuration diagrams illustrating another example of the embodiment of the light control unit 5, and the configuration will be described. 7A is a top view thereof, and FIG. 7B is a perspective view thereof. 7A and 7B, for the sake of clarity, the optical system of only the laser beams P1 and Pn out of the laser beams P1 to Pn is shown, and actually, the optical system is enlarged by a lens, a mirror, or the like. Of the optical paths of the laser beams P1 and Pn that are reflected or reflected, only the main optical path is shown.
図7(a)、(b)に示すように、本実施例の光制御部5Fは、レーザ光P1〜Pnを制御するものである。本実施例においては、レーザ光P1、Pn以外の光学系については、上記参考例4におけるレーザ光P1、Pnの光学系と同等の構成を有しており、レーザ光の進行方向に向かって、順に、保護ガラス31、台形プリズム32、レンズ33、ミラー35、保護ガラス36を有している。
As shown in FIGS. 7A and 7B, the
但し、本実施例では、上記参考例4、実施例1におけるレーザ光P1、Pnの光学系とは、その構成が異なっている。具体的には、レーザ光P1、Pnの光学系においては、レーザ光の進行方向に向かって、順に、保護ガラス31、レンズ41、光軸ずらしレンズ43、ミラー35、保護ガラス36を有している。つまり、光軸ずらしレンズ43は、レーザ光P1、Pnの光軸をずらして入光するように配置したものである。ここでは、レーザ光P1、Pnの光学系において、光軸ずらしレンズ43により、照射面でのレーザ光のピーク強度が軸方向外側にシフトするように、光軸をずらすことにより、軸方向における裾野部分のレーザ光の光路を内側にずらして、照射領域の軸方向の端部の光強度を確保するようにしている。
However, in this embodiment, the configuration is different from the optical systems of the laser beams P1 and Pn in Reference Example 4 and Example 1 . Specifically, the optical system of the laser beams P1 and Pn includes a
従って、レーザ光P1、Pnにおいては、光ファイバ6から出射されたレーザ光が、光学系を保護する保護ガラス31へ入射され、保護ガラス31を透過したレーザ光がレンズ41により拡大され、その後、レンズ41により拡大されたレーザ光が光軸ずらしレンズ43により軸方向内側に光軸がずらされ、光軸ずらしレンズ43により光軸がずらされたレーザ光が、ミラー35により配管2の方向へ反射され、ミラー35により反射されたレーザ光が、保護ガラス36を透過して、配管2の所望の領域に照射されている。
Accordingly, in the laser beams P1 and Pn, the laser beam emitted from the optical fiber 6 is incident on the
このような構成により、従来、必要領域への入熱にほとんど寄与しないレーザ光の裾野部分となっていた部分を、配管2の表面上の照射領域の軸方向内側にずらして、照射することになる。その結果、必要領域外への照射を抑制して、出力を有効活用することができ、配管2の照射領域の軸方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。
With such a configuration, conventionally, a portion that has been a skirt portion of the laser beam that hardly contributes to heat input to the necessary region is irradiated while being shifted inward in the axial direction of the irradiation region on the surface of the
従って、従来は、必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の裾野部分を、光軸ずらしレンズ43により有効に利用して、配管2の照射領域の軸方向端部の光強度を確保することができる。例えば、図8において、光軸ずらしレンズ43が無い場合、プロファイルP1、Pnも、ガウス分布状のプロファイルであったが、光軸ずらしレンズ43により、軸方向のピーク位置を端部側にシフトさせて、端部側のプロファイルが急峻に立ち上がるような非対称のプロファイルとすることが可能である。なお、図8においても、P1、Pn以外のプロファイル、例えば、P2等のプロファイルは省略している。
Therefore, conventionally, the base portion of the laser beam that has hardly contributed to the heat input to the necessary region is effectively used by the optical
上述した参考例4、実施例1、2において、台形プリズム32、37は、台形側面を有するプリズムであり、入射側である底面に対して、出射側に3つの面を有するものであったが、参考例4、実施例1、2の変形例として、台形プリズム32、37に替えて、図9に示すように、出射側に3つより多い数の面を有する多面プリズム48を用いるようにしてもよい。なお、図9では、底面に対して、5つの面を有する多面プリズムであるが、所望の入熱プロファイルに応じて、より多くの面を形成した多面プリズムでもよい。このような多面プリズムを用いることにより、より滑らかな入熱プロファイルに調整可能となる。
In Reference Example 4 and Examples 1 and 2 described above, the
又、上述した参考例4、実施例1、2において、台形プリズム32、37は、周方向又は軸方向のいずれか一方の側面が台形となるプリズムであったが、参考例4、実施例1、2の変形例として、台形プリズム32、37に替えて、図10に示すような、切頭型の四角錐からなる6面体プリズム49を用いるようにしてもよい。これは、周方向及び軸方向共に、断面が台形断面となるプリズムである。このような6面体プリズムを用いることにより、周方向及び軸方向の入熱プロファイルを同時に調整可能となる。
Further, in Reference Example 4, Examples 1 and 2 described above, the
又、従来は、レーザ光P1〜Pnは、各々独立した構成であり、各々独立した筐体内に配置されていたが、上述した参考例4、実施例1、2の変形例として、レーザ光P1〜Pnを、1つの筐体内に配置する構成としてもよい。レーザ光P1〜Pnを、1つの筐体内に配置することにより、レーザ光P1〜Pnにおける各光学系のピッチ調整量を大きく確保することができる。 Conventionally, the laser beams P1 to Pn have independent configurations and are arranged in independent casings. As a modification of the above-described Reference Example 4 and Examples 1 and 2 , the laser beam P1 is used. -Pn may be arranged in one housing. By arranging the laser beams P1 to Pn in one casing, a large amount of pitch adjustment of each optical system in the laser beams P1 to Pn can be secured.
図11に、光制御部5の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図11においても、見やすくするため、レーザ光P1〜Pnのうち、レーザ光P1、Pnのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光P1、Pnの光路のうち、主な光路のみ図示している。 FIG. 11 shows a schematic configuration diagram as another example of the embodiment of the light control unit 5, and the configuration will be described. In FIG. 11, for the sake of clarity, the optical system of only the laser beams P1 and Pn out of the laser beams P1 to Pn is illustrated, and is actually enlarged or reflected by a lens, a mirror, or the like. Of the optical paths of the laser beams P1 and Pn, only the main optical paths are shown.
図11に示すように、本参考例の光制御部5Gも、レーザ光P1〜Pnを制御するものである。例えば、レーザ光P1の光学系は、レーザ光の進行方向に向かって、順に、ライトパイプ51、レンズ52、ミラー54、レンズ55を有している。つまり、光学系の前段側に、ライトパイプ51を有する構成である。なお、レンズ52としては、球面レンズが使用される。
As shown in FIG. 11, the
本参考例では、上記参考例1〜3のミラーや上記参考例4、実施例1、2の台形プリズムに替えて、出射光のエネルギ密度が均一化されると共にその照射形状が整えられる長方形断面形状又は正方形断面形状のライトパイプ51を用いている。図12(a)から判るように、ライトパイプ51を用いることにより、レーザ光P1、Pnのプロファイルは、立ち上がりが急峻で、頂上部が平坦な台形状のプロファイルとなる。このように、プロファイル形状を整えられるライトパイプ51を用いることにより、照射領域の端部の光強度が不十分な状態にならないようにしている。なお、図12(a)においても、P1、Pn以外のプロファイル、例えば、P2等のプロファイルは省略している。
In this reference example, instead of the mirrors in the reference examples 1 to 3 and the trapezoidal prisms in the reference example 4 and the examples 1 and 2 , a rectangular cross section in which the energy density of the emitted light is made uniform and the irradiation shape is adjusted. A
従って、レーザ光P1〜Pnにおいては、光ファイバ6から出射されたレーザ光が、出射光のエネルギ密度が均一化され、照射形状が整えられるライトパイプ51へ入射され、ライトパイプ51によりエネルギ密度が均一化され、照射形状が整えられたレーザ光が球面レンズ52により拡大され、その後、球面レンズ52により拡大されたレーザ光がミラー54により配管2の方向へ反射され、ミラー54により反射されたレーザ光が、球面レンズ55により拡大されて、配管2の所望の領域に結像投影されて、照射されることになる。ライトパイプ51を用いることにより、ファイバ6の端面の結像に対して、レンズ52等を介した光学系の投影倍率を小さく設定でき、その結果、収差抑制が容易となる。又、レンズ52は、小径レンズでも対応可能となり、製造性が良好なレンズの組合せで光学系を構成することが可能となる。
Therefore, in the laser beams P1 to Pn, the laser beam emitted from the optical fiber 6 is incident on the
このような構成により、照射領域のプロファイルが調整されて、必要領域外への照射されることが無くなり、その結果、配管2の照射領域の軸方向端部及び周方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。
With such a configuration, the profile of the irradiation region is adjusted so that the outside of the necessary region is not irradiated, and as a result, the light intensity at the axial end and the circumferential end of the irradiation region of the
従って、図12(a)に示すように、レーザ光P1〜Pnにおいて、照射領域のプロファイルが調整されて、端部側のプロファイルが急峻に立ち上がるような台形状のプロファイルとすることが可能であり、配管2に与える温度分布も、図12(a)に示すような温度プロファイルに制御することができる。
Accordingly, as shown in FIG. 12 (a), in the laser beams P1 to Pn, it is possible to adjust the profile of the irradiation region to obtain a trapezoidal profile in which the profile on the end side rises sharply. The temperature distribution given to the
又、周方向に関しても、ライトパイプ51により照射領域のプロファイルが調整されて、端部側のプロファイルが急峻に立ち上がるような台形状のプロファイルにして、配管2の照射領域の周方向端部の光強度を確保することができる。そして、レーザ光P1〜Pnのライトパイプ51を調整することで、例えば、図12(b)に示すように、軸方向において、入熱の周方向幅をステップ状に制御可能である。このような入熱幅の変化は、異材境界等で周方向照射幅を変化させる場合に有効である。
Also, in the circumferential direction, the
上記参考例5において、ライトパイプ51は、長方形断面形状又は正方形断面形状のものであったが、参考例5の変形例として、長方形断面形状又は正方形断面形状のライトパイプ51に替えて、照射領域の形状に対応した断面形状、例えば、台形断面形状のライトパイプを用いるようにしてもよい。例えば、照射対象の配管2にテーパ部分がある場合には、その部分への照射領域形状は台形状とすることが望ましいため、台形断面形状のライトパイプを用いることにより、台形状の照射形状を容易に配管2のテーパ部分に投影照射することができる。このように、ライトパイプの断面形状を、照射領域に応じた形状にすることで、照射対象にマッチした照射を容易に行うことができる。なお、レーザ出力に余裕のある場合には、円形断面又は楕円形断面のライトパイプを用いてもよい。
In the reference example 5 , the
上記参考例5は、ライトパイプ51を用いて、その断面形状を照射対象の配管2上に投影することにより、入熱を行うものである。所望の入熱プロファイル、照射面積にするためには、その投影形状だけではなく、その投影像の均一性も制御する必要がある。ところが、レーザ発振器7から光ファイバ6を介して、ライトパイプ51に到達するレーザ光の広がり方は、いくらかの個体差を有しており、必ずしも、レーザ光P1〜Pn全てで一様ではない。そこで、図13に示すように、ライトパイプ51a、51bを、光源毎に(レーザ光P1〜Pn毎に)対応した長さとすることで、ライトパイプ51へ入射するレーザ光のプロファイルが変化しても、その違いを吸収することができる(後述する図14(b)参照)。このように、ライトパイプ51の長さを、光源毎に異なる長さにすることで、所望の照射形状で均一に照射することができる。
The reference example 5 performs heat input by projecting the cross-sectional shape onto the
又、このような光源毎の特性差を吸収するように、ライトパイプ51a、51bを、光源毎の特性差を吸収可能な程度長くして用いるようにしてもよい。又、光ファイバの端面位置を変化させてもよい。光源側の特性が変化した場合に備え、長さ可変式のライトパイプを用いてもよい。又、長さ可変式のライトパイプとしては、例えば、銅製の筒状筐体の内部をミラーコーティングしたものを複数用い、これらをスライド可能に構成することで、長さを可変とするライトパイプを実現できる。このように、ライトパイプを長くすることにより、ライトパイプ内で多数回の反射を繰り返すことになり、エネルギ密度が均一化するため、レーザ光の拡がり特性差をキャンセル可能である。
Further, the
例えば、図14(a)は、用いたライトパイプが短い場合のレーザ光のプロファイルであるが、この場合には、光源によっては、照射領域の裾野部分がきれいに立ち上がった形状でなかったり、頂上部分のプロファイルが大きく凹んだり、必ずしも、所望のプロファイルが得られてはいない。一方、光源に応じて、ライトパイプの長さを長くすると(例えば、2倍程度の長さ)、図14(b)のように、略台形状のプロファイルが得られことになる。このように、ライトパイプに入射するレーザ光のプロファイルが変化したとしても、ライトパイプをある程度長くすることにより、その変化を吸収して、所望のプロファイルを得ることができる。 For example, FIG. 14A shows the profile of the laser beam when the used light pipe is short. In this case, depending on the light source, the skirt portion of the irradiation region does not have a beautifully raised shape, or the top portion. The profile is greatly recessed or a desired profile is not necessarily obtained. On the other hand, when the length of the light pipe is increased according to the light source (for example, about twice as long), a substantially trapezoidal profile is obtained as shown in FIG. As described above, even if the profile of the laser light incident on the light pipe changes, the change can be absorbed by making the light pipe longer to some extent to obtain a desired profile.
又、上述した参考例1〜7、実施例1〜5において、レンズ12、33、52等は、球面レンズであったが、参考例1〜7、実施例1〜5の変形例として、レンズ12、33、52に替えて、非球面レンズやシリンドリカルレンズを用いてもよい。非球面レンズを用いると、使用するレンズ枚数を抑制でき、光制御部5を狭隘箇所でも使用可能な簡単な構成にすることができ、又、シリンドリカルレンズを用いると、配管2の周方向、軸方向へのレーザ光の制御を独立して行うことができる。非球面レンズにより、レンズ枚数を抑制した場合、光学系におけるレーザ光のロスも抑制できるため、装置出力の裕度を向上させたり、装置コストを低減したりすることができる。参考例1〜5、実施例1〜5の場合には、例えば、異径配管に入熱する場合、テーパ部分−ストレート部分の境界の形状差に起因する入熱の急激な変化を抑制するように、非球面レンズを形成することにより、形状に応じた滑らかなプロファイルとすることができる。参考例6、7の場合には、非球面レンズを用いることにより、所望の投影照射形状を得られると共に、収差補正も容易となる。又、照射領域の寸法を変化させる場合であっても、照射領域の端部が急峻に立ち上がるプロファイルの形成が可能である。加えて、照射領域の中心部分/裾野部分で、その照射強度比を所望の比率に調整可能である。
In Reference Examples 1 to 7 and Examples 1 to 5 described above, the
本発明は、円筒状配管の残留応力の改善に好適なものである。 The present invention is suitable for improving the residual stress of a cylindrical pipe.
1 残留応力改善装置
2 配管
3 回転駆動装置
4 アーム部
5 光制御部
6 光ファイバ
7 レーザ発振器
8 制御部
9 レーザ光
21、22、23、24 ミラー
32、37 台形プリズム
43 軸ずらしレンズ
48 多面プリズム
49 六面体プリズム
51 ライトパイプ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記回転駆動手段に保持され、レーザ光源からのレーザ光を前記管体の溶接部分の外周面に複数照射すると共に、前記複数のレーザ光による照射領域を調整可能な光制御部とを有し、
前記複数のレーザ光による照射領域を前記管体の周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部は、
少なくとも1つの端部のレーザ光の光学系に、該光学系におけるレーザ光の光軸をずらすレンズを有し、該レンズにより、端部のレーザ光の強度ピークが前記管体の軸方向の外側に偏るように該レーザ光の光軸をずらして、前記管体へ照射すると共に、
他のレーザ光の光学系に、台形側面を前記管体の軸方向に向けて配設した台形プリズムを有し、該台形プリズムにより、各レーザ光の前記管体の周方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする管体の残留応力改善装置。 Rotational drive means for moving around the outer circumference of the cylindrical tube;
A light control unit that is held by the rotation driving unit and irradiates a plurality of laser beams from a laser light source on the outer peripheral surface of the welded portion of the tubular body, and can adjust an irradiation region by the plurality of laser beams,
In the tubular body residual stress improving apparatus for improving the residual stress of the tubular body by moving the irradiation region by the plurality of laser beams in the circumferential direction of the tubular body,
The light control unit
The optical system of the laser light at at least one end has a lens for shifting the optical axis of the laser light in the optical system, and the lens causes the intensity peak of the laser light at the end to be outside the axial direction of the tubular body. The optical axis of the laser beam is shifted so as to be biased to irradiate the tube body,
The other laser light optical system has a trapezoidal prism with a trapezoidal side faced in the axial direction of the tube, and the trapezoidal prism allows the inner side of the skirt portion of the laser beam in the circumferential direction to be inside. An apparatus for improving a residual stress of a tubular body, wherein the tubular body is refracted and irradiated to the tubular body.
前記光制御部は、一方の端部のレーザ光の光学系が前記レンズを有する場合、他方の端部のレーザ光の光学系に、前記レーザ光の光軸をずらすレンズに替えて、台形側面を前記管体の周方向に向けて配設した他の台形プリズムを有し、該他の台形プリズムにより、端部のレーザ光の前記管体の軸方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする管体の残留応力改善装置。 The apparatus for improving residual stress in a tubular body according to claim 1,
When the optical system of the laser light at one end has the lens, the light control unit replaces the lens that shifts the optical axis of the laser light with the optical system of the laser light at the other end. The other trapezoidal prism disposed in the circumferential direction of the tubular body, the other trapezoidal prism refracts the skirt portion of the end portion of the laser beam in the axial direction of the tubular body, An apparatus for improving residual stress of a tubular body, wherein the tubular body is irradiated.
前記台形プリズムに替えて、出射側の面が3つより多い数の面を有する多面プリズムを用いることを特徴とする管体の残留応力改善装置。 In the apparatus for improving residual stress of a tubular body according to claim 1 or 2,
The trapezoid prism instead of arm, residual stress improving apparatus of the tubular body, which comprises using a multifaceted prism having a surface having a surface on the emission side is more than three.
前記台形プリズム、前記他の台形プリズムに替えて、出射側の面が3つより多い数の面を有する多面プリズムを用いることを特徴とする管体の残留応力改善装置。An apparatus for improving residual stress in a tubular body, wherein a polyhedral prism having a number of surfaces on the exit side larger than three is used instead of the trapezoidal prism and the other trapezoidal prisms.
前記他の台形プリズムに替えて、切頭型の四角錐からなる六面体プリズムを用い、該六面体プリズムにより、端部のレーザ光の前記管体の周方向における裾野部分を内側に屈折すると共に、端部のレーザ光の前記管体の軸方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする管体の残留応力改善装置。 In the tubular-body residual-stress improving apparatus of Claim 2,
Instead of the other trapezoidal prism, a hexahedral prism made of a truncated quadrangular pyramid is used, and the hexahedral prism refracts the skirt portion in the circumferential direction of the tubular body of the laser beam at the end, and An apparatus for residual stress improvement of a tubular body, wherein the bottom portion of the laser beam in the axial direction of the tubular body is refracted inward to irradiate the tubular body.
前記回転駆動手段に保持され、レーザ光源からのレーザ光を前記管体の溶接部分の外周面に1つ若しくは複数照射すると共に、前記1つ若しくは複数のレーザ光による照射領域を調整可能な光制御部とを有し、
前記1つ若しくは複数のレーザ光による照射領域を前記管体の周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部は、少なくとも1つの端部のレーザ光の光学系に、該光学系におけるレーザ光の光軸をずらすレンズを有し、該レンズにより、端部のレーザ光の強度ピークが前記管体の軸方向の外側に偏るように該レーザ光の光軸をずらして、前記管体へ照射することを特徴とする管体の残留応力改善装置。 Rotational drive means for moving around the outer circumference of the cylindrical tube;
Light control that is held by the rotation driving means and that irradiates one or more laser beams from a laser light source to the outer peripheral surface of the welded portion of the tube, and that can adjust the irradiation area by the one or more laser beams And
In the apparatus for improving residual stress of a tubular body that improves the residual stress of the tubular body by moving the irradiation region of the one or more laser beams in the circumferential direction of the tubular body,
The light control unit has a lens that shifts the optical axis of the laser light in the optical system in the optical system of the laser light in at least one end, and the lens causes an intensity peak of the laser light in the end to be in the tube. An apparatus for improving residual stress of a tubular body, wherein the tubular body is irradiated with the optical axis of the laser beam shifted so as to be biased outward in the axial direction of the body.
前記レーザ光の光学系を、1つの筐体内に配置することを特徴とする管体の残留応力改善装置。 In the residual stress improving apparatus tube body according to any one of claims of claims 1 to 6,
An apparatus for improving residual stress in a tubular body, wherein the optical system of the laser beam is arranged in one casing.
前記光制御部の光学系に非球面レンズを用いることを特徴とする管体の残留応力改善装置。 In the apparatus for improving residual stress of a tubular body according to any one of claims 1 to 7 ,
An apparatus for improving residual stress in a tubular body, wherein an aspherical lens is used in the optical system of the light control unit.
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